昆明市第二污水處理廠曝氣工藝改造

董偉新，施永生，李 麗

（1.昆明理工大學建筑工程學院，云南昆明650233；2.華匯工程設計集團股份有限公司云南分公司，云南昆明 650228）

1 概況

昆明市第二污水處理廠于1995年11月建成通水，設計規模 Q=10 萬 m3／d，峰值流量為 15 萬 m3／d，占地176畝。現狀納污面積為10.94 km2。污水廠尾水由盤龍江排入外海，現狀該污水處理廠出水標準執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級B標準。由于滇池水體目前已嚴重富營養化，為了加快滇池治理的步伐，滿足《滇池流域水污染防治十二五計劃》的要求，應進一步提高污水處理廠出水水質，使其升級達到一級A標準。

污水處理生化單元采用瑞典ET公司提供的多格厭氧池（A池）和A／O池為主體的表面曝氣A2／O工藝。工藝流程框圖如圖1所示，A／O池設計參數、尺寸及設備如表1所示。

圖1 二級處理工藝流程Fig.1 Secondary Treatment Processes

2 技改前生化池存在的問題

2.1 溶解氧濃度較低，曝氣池供氧量不足

A／O池形為同心圓，表曝設備轉蝶置于A／O池內環道上，由于受力不均，使用年限長等因素導致軸承磨損，現運行過程中檢修相當頻繁，不能滿負荷運轉，導致曝氣池內溶解氧達不到設計要求，影響A／O池的處理效果。現場目測可見，A／O池內污泥細碎，顏色發黑，活性不好，曝氣池供氧量不足。

表1 A／O池設計參數、尺寸及設備表Tab.1 Parameters,Sizes and Equipments of A／O Pool

2.2 單位污水耗電量較高

A／O池共四座，單池好氧區內安裝8臺P=30 kW和2臺P=45 kW的轉碟設備（9用1備），單池裝機功率為330 kW、總裝機功率為1 320 kW、運行功率為1 140 kW。表2為第二污水廠2011年噸水電耗量情況表。

表2 耗電量表Tab.2 Summary of Power Consumption

由表2可知運行耗電較高，每噸水耗電量最高達到0.354 7 kW·h／m3，平均每噸水耗電量0.346 2 kW·h／m3，明顯高于國家標準 0.28 kW·h／m3。

3 生化池曝氣方式改造方案

3.1 基本原則

污水廠的工藝技術改造[1-3]一般包括工藝升級改造、水力改造、設備改造等，其中提高出水水質的關鍵即污水處理工藝的升級。與新建污水處理廠不同，老污水處理廠升級改造的工藝選擇相對于新建污水廠，更復雜，通常要考慮三個問題：一是工藝運行可靠、靈活性強；二是盡量利用原有構筑物、投資少；三是處理效率高、能耗低[4]。

因此選擇設備時，需同時考慮設備價格、運行費用、性能穩定等。

3.2.污水廠曝氣方式的改造

目前常采用的曝氣系統主要有鼓風曝氣系統和機械曝氣系統[5,6]。國內應用較多的是鼓風曝氣方式，這種方式動力效率高，供氣量容易控制，脫落生物膜沉淀性能好，但氧利用率較低、風機選用不當噪聲較大；射流曝氣也有應用，這種方式氧利用率高、管理方便，但是動力效率較低、脫落生物膜易被擊碎、質輕上浮。某些曝氣設備本身就具有較強的調節能力，如鼓風曝氣系統一般比傳統的表曝系統具有更大的調節能力。

技改前二污水廠采用的是表面機械曝氣，曝氣池內溶解氧達不到設計要求，影響了A／O池的處理效果，因此本次改造選用鼓風曝氣。

3.3 污水廠曝氣設備改造

3.3.1 改造措施

污水處理廠設備陳舊、效率低下。因此，在升級改造過程中，為節約處理能耗，必須選用高效設備，特別是高效水泵、風機、電機、曝氣裝置及污泥處理設備等。

針對昆明市第二污水廠A／O生化池實際運行中所存在曝氣量不足、轉蝶維修頻繁、電耗高等問題，本次技改方案將A／O池表面曝氣工藝更改為鼓風曝氣工藝，即取消好氧區現有40臺轉蝶，由鼓風機提供經凈化的空氣，通過管道系統送入A／O池底部的專用微孔曝氣器，并在合適位置根據池內容積安裝推流器，以提高A／O池氧利用率，降低電耗，提高出水水質標準。

3.3.2 曝氣設備的選擇及設計

3.3.2.1 基礎數據計算結果

鼓風曝氣系統包括鼓風機、空氣輸送管和擴散裝置，其作用是充氧與攪拌、混合。

該廠生化池鼓風曝氣設備包括好氧區潛水推流器、曝氣器、鼓風機進。在進行曝氣設備選擇之前需計算出水廠供氣量，由供氣量選擇相對應的設備。

曝氣量的計算[7]根據生化處理過程對氧的需要，求出需氧量，再根據雙膜理論導出的氧轉移速率的公式將實際需氧量換算到標準條件下的需氧量，最后根據曝氣器的氧轉移效率，計算標準條件下的曝氣量，計算結果如表3所示。

表3 曝氣量與需氧量Tab.3 Aeration Rate and Oxygen Demand

3.3.2.2 好氧區潛水推流器的選擇及設計

潛水推流器型式為帶導流罩的三葉螺旋漿式，主要由潛水電機、減速裝置、螺旋漿、導桿、定位導軌及控制箱等組成。

該廠好氧區池型為外徑35 m、內徑19.8 m、池深4.0 m的同心圓，推流器需安裝在寬度14.9 m的環道上。根據環道上水流方向、受力條件、缺氧區至好氧區入口及回流污泥口位置等各方面因素進行設計安裝，潛水攪拌器安裝示意圖如圖2所示。

圖2 潛水攪拌器安裝示意圖Fig.2 Installation Diagram of Submersible Agitator

由圖2可知單池內設計8臺推進器。根據《室外排水設計規范》的要求，好氧區采用機械攪拌時，混合功率宜采用2～8 W／m3，每臺電機功率為4 kW，每2臺以四組的形式布置于間距均勻的環道上，安裝于環道現有轉蝶處的走道板梁上位置。2臺推進器安裝間距為7.0 m，離外環道為3.0 m。推進器根據環形水流受力原理，背水方向布置角度成15°。運行時，產生順應水流方向的軸向射流，使污泥在推流中得到最佳混合。

3.3.2.3 曝氣器的選擇及設計

（1）曝氣器的選擇

有學者[8]對相應傳質設備的選取、測試及氧傳質速率的影響因素等方面進行了研究。美國環保署結合經驗及試驗制定了微孔曝氣系統設計手冊，使氧傳遞影響的因素[9]得到了闡述。

污水廠大部分能耗為曝氣消耗，因而曝氣型式合理的選擇十分重要。正常情況下，對穿孔管帶狀布置曝氣，其充氧效率僅為1.0 kgO2／kW·h，相比而言盤狀微孔曝氣頭面狀布置，充氧效率可達1.4 kgO2／kW·h，采用板狀微孔曝氣裝置面狀布置，充氧效率可達1.8 kgO2／kW·h。例如，天津紀莊子污水廠改造后選用微孔曝氣器，曝氣節省能耗約60%；黑龍江石化工廠污水廠經過幾年的運行實踐得出完全混合曝氣池采用雙螺旋曝氣器（葉輪曝氣器的一種）比采用表面曝氣機的處理效果要好，它能使生化處理能力提高25%，COD去除率提高9%，出水水質明顯改善，雙螺旋曝氣器安裝簡便、投資少、操作方便、能耗、成本及維修費用低等優點[6]。污水處理廠在這方面有許多經驗可以參考。

為了提高充氧效率，往往選用微孔曝氣器，此曝氣器可以擴散出微小的氣泡來增加氣液兩相的接觸面積。氣泡的直徑決定單位體積氣體的界面面積，氣泡越小，界面面積越大。因此，小氣泡擴散裝置比大氣泡擴散裝置具有更高的氧傳質速率，同樣條件下，也具有更高的充氧效率。表4即為幾種充氧設備的充氧效率。

表4 充氧效率Tab.4 Oxygenation Efficiency

小氣泡擴散裝置的維修要求高且工作量較大，但所節約的能源可觀，足以彌補維修費用。根據經驗計算采用微孔鼓風曝氣器可節省近20%的曝氣能耗[10]。

本次技改方案將A／O池表面曝氣工藝更改為鼓風曝氣工藝，同時選用高效節能[11]的專用微孔曝氣器。

（2）曝氣器的設計

考慮到昆明第四污水廠CASS池技改后拆除下來的橡膠盤式曝氣器可利用到本次技改項目中，因此本項目采用膜盤式曝氣器。膜盤式曝氣器選用9”曝氣盤，膜片直徑為229 mm；單頭曝氣盤供氣量為2.8 m3／h·個；氧轉移效率大于 28%。

根據計算最大曝氣量為32 533 m3／h，總曝氣盤數量為32 533／2.8=11 620個，單池曝氣盤數量為11 620／4=2 905個。單池供氣管敷設于環道上10個走道板處，再由供氣支管接入池底。

3.3.2.4 鼓風機的選擇

根據該廠技改項目實際情況，鼓風機選型考慮在國產多級低速離心鼓風機與進口單級高速離心鼓風機之間做比選。國產多級低速離心鼓風機在實際運行中可靠性高，使用壽命長，操作維護簡單，且風機裝機及運行功率高于單級高速離心鼓風機，同時滿載效率低。

本技改項目不同于一座完整的污水處理廠設計，風機的選型主要從經濟角度考慮，結合現昆明市第四污水處理廠技改項目鼓風機房淘汰下來的5臺國產多級離心鼓風機，可滿足該廠技改項目風機風量及風壓的設計參數要求，因此推薦選用國產多級低速離心鼓風機。

4 節能效果分析與技改對出水水質的影響

4.1 節能效果分析

未改造前用于生化池供氧的總功率包括A／O池共四座，單池好氧區內安裝8臺P=30 kW和2臺P=45 kW的轉碟設備（9用1備），單池裝機功率330 kW，總裝機功率1 320 kW，運行功率1 140 kW；液下攪拌器共8臺，P=8.8 kW，共70.4 kW。故改造前生化池主要運行功率為1 210.4 kW，日處理水量平均值為110 000 m3／d，好氧池單位污水耗電量為0.249 kW·h／m3。改造后生化池選用國產多級低速離心鼓風機5臺（3用2備），每臺功率為250 kW，總裝機功率為1 250 kW，運行功率為750 kW；好氧區增設32臺4 kW潛水推進器，運行功率為128 kW，則總運行功率為878 kW，日處理水量平均值為110 000 m3／d，好氧池單位污水耗電量為0.192 kW·h／m3。與改造前相比較，節約了0.057 kW·h／m3，按每度電收費 0.505 元計，技改后每年節省電費 0.057×0.505×110 000×365=115.57 萬元。

另外，技改前好氧池水深為4.035 m，超高1.05 m，技改取消走道上的轉蝶后，水深可增加0.3 m，單池好氧區容積由10312 m3增至11 083 m3，增加處理水量0.9萬m3／d，年增加水處理量0.9×365=328.5萬m3。按每立方米水增加收入0.1元考慮，則年增加收入為0.1×328.5×10000=32.85萬元。

技改選用的橡膠膜盤式曝氣器設備，在實際運行中有較強的耐久性、使用壽命長且維護簡單，減少日常維護及修理費用2.8萬元／年。

目前，昆明市第二污水廠的原污水水質BOD為115 mg／L左右，受滇池保護等因素的影響，出水水質要求BOD不得超過10 mg／L。技改前好氧池內的DO為2.5 mg／L以上，污泥排放量每日單池都在420～450 t之間，每日總運行費用為12 236元左右。在進水水量、水質穩定、出水水質滿足排放要求的情況下，DO可以適當減少，維持在1.8 mg／L以上即可滿足，同樣也可適當減少污泥排放量，每天的運行費用也會相應減少，真正實現節能減排。

4.2 技改對出水水質的影響

通過對技改后生化池的運行測試，可見生化池改造后并未影響出水水質，而且在生物除磷方面會比原來效果更好。技改對出水水質[12]的影響如表5所示。

表5 技改對出水水質的影響Tab.5 Effect of Technical Renovation on Water Quality

5 結論

昆明市第二污水廠的設備改造為昆明市乃至整個云南省污水廠設備改造提供了借鑒依據。該廠設備改造后對生化池采用最優控制，即控制最優溶解氧濃度、污泥排放量，使節能成效有目共睹。當然，實際運行過程中節能效果與理論節能效果略有差距，這與實際運行中污水量不均及污泥負荷、水力停留時間都有關系，但總的來說還是達到了預期的節能效果。在實際運行過程中，還要根據實際情況提供適當的氧來滿足系統的要求，這樣不僅使系統達到最優化控制，同時達到最好的經濟效益。

［1］1995年城市建設統計公報[R].1995.

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